CN116500518A - 一种serf原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及SERF原子磁场测量装置测量技术，具体涉及一种SERF原子磁场测量装置光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。
背景技术
光频移是光与原子相互作用产生的一种物理现象。在原子磁场测量装置中，当圆偏振的抽运光与碱金属原子(如钾、铷、铯等)相互作用时，由于ac-Stark效应引起的光频移矢量分量会以虚拟磁场的形式被碱金属原子感受到。SERF(spin-exchange relaxation-free)原子磁场测量装置是一种高精度磁场测量设备，由于其工作在极低外磁场的条件下，因此光频移引起的虚拟磁场会极大地影响SERF原子磁场测量装置性能，并且导致磁场测量误差。
由于光频移与激光频率直接相关，因此常用的光频移抑制方法为调整抽运光频率至原子光学吸收谱线中心频率，此频率也称为光频移零点。但是在SERF磁场测量装置中碱金属原子数密度大，缓冲气体压强高，对于光学吸收谱线中心的测量较为困难。通过测量光频移与激光频率，从而寻找光频移零点是解决此问题的一种方法。寻找光频移零点时需要精确测量光频移，但是目前的光频移测量方法并非对于光频移进行直接测量，而是利用磁补偿方法记录光频移虚拟磁场对应的磁补偿值，此方法受到磁场补偿精度限制，且测量时间长，受到磁场波动影响较大，精度不够理想。
此外，SERF磁场测量装置中抽运光在碱金属气室中会被吸收，因此光频移在碱金属气室中存在一定的梯度，此梯度也会影响SERF原子磁场测量装置性能，需要对其及逆行测量与分析。目前，尚无对于光频移梯度进行测量的装置。有鉴于此，本发明人完成了本发明。
发明内容
本发明针对现有技术的缺陷或不足，提供一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。这一方法直接对于光频移进行测量，测量时间更短，受磁场波动影响小，测量灵敏度不受磁场补偿精度限制，有利于提升光频移测量精度。
本发明的技术解决方案如下：
一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，在SERF原子磁场测量装置的抽运系统中设置声光调制器，所述声光调制器位于偏振分光棱镜至扩束系统之间的抽运光光路上，所述声光调制器通过声光调制器控制器连接到上位机，所述上位机通过波形发生器连接偏置磁场产生系统中的三轴磁场线圈，在SERF原子磁场测量装置的检测系统中设置附带第一位移台的第二反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜至第一起偏器之间的检测光光路上，所述第一起偏器依次通过光弹调制器、第一四分之一波片、碱金属气室和检偏器连接带有第二位移台的光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接数据采集系统，所述第一反射镜连接检测激光器。
所述声光调制器的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，所述三轴磁场线圈由波形发生器提供驱动电流，所述上位机输出控制信号，在控制声光调制器关闭的同时由三轴磁场线圈施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应，所述数据采集系统对瞬态响应信息进行采集，所述第一位移台用于改变检测激光器发出的检测激光的位置，所述第二位移台用于调节光电探测器位置以适配检测激光位置的改变。
所述扩束系统依次通过第四反射镜、第二起偏器和第二四分之一波片连接碱金属气室，抽运光沿z轴穿越所述碱金属气室，检测光沿x轴穿越所述碱金属气室，所述偏振分光棱镜的输入侧依次通过二分之一波片和第三反射镜连接抽运激光器，所述偏振分光棱镜的透射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述波长计用于监测和调整所述抽运光频率。
所述声光调制器在开启状态下，抽运光通过声光调制器后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统射向第四反射镜，抽运光为开启状态；当所述声光调制器在关闭状态下，抽运光通过声光调制器后不发生偏转，在经过扩束系统后无法入射到反射镜，抽运光为关断状态。
所述的碱金属气室外设置有无磁电加热系统，三轴磁场线圈，与磁屏蔽系统。
一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，采用上述SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置对于SERF原子磁场测量装置的光频移梯度进行测量。
包括以下步骤：
步骤1，打开抽运激光器与检测激光器，调节抽运激光器使输出的抽运光调节至碱金属原子D1线附近，控制声光调制器控制器打开声光调制器，此时抽运光为开启状态，之后利用三轴磁场线圈对于SERF原子磁场测量装置进行三轴磁补偿，使碱金属原子气室中的碱金属原子感受到的磁场为零；
步骤2，保持抽运光开启状态至少5秒后，上位机发出触发信号，控制声光调制器关闭的同时控制三轴磁场线圈在Y方向上施加一个3nT的直流偏置磁场By，记录触发信号发出后1秒内数据采集系统内采集到的瞬态响应信息S(t)，之后通过上位机控制声光调制器开启，并且控制三轴磁场线圈撤销直流偏置磁场，记录施加的偏置磁场幅值为By1；
步骤3，通过拟合步骤2中采集到的S(t)计算碱金属原子感受到的总磁场幅值Btot，拟合公式如下：
其中k为常数，Rrel为碱金属原子弛豫率，q(0)为碱金属原子在极化率为0时的减慢因子，γe是电子旋磁比，记录计算得到的总磁场为Btot1；
步骤4，将步骤2中的直流偏置磁场By设置为5nT，7nT，9nT，11nT，重复步骤2与步骤3，分别记录得到的By2，By3，By4，By5与Btot2，Btot3，Btot4，Btot5，通过公式拟合得到光频移虚拟磁场BLS，拟合公式如下：
步骤5，通过公式计算光频移数值ΔE，公式如下：
其中为约化普朗克常数，J为碱金属原子电子角动量量子数；
步骤6，同步调节第一位移台与第二位移台，改变检测光与光电探测器位置，重复步骤2至步骤5，记录各位置光频移，计算得到光频移梯度。
所述步骤1中检测激光器发射出的检测激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
本发明的技术效果如下：本发明一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。本方法实现了SERF原子磁场测量装置中对于光频移梯度的测量，克服了测量灵敏度受磁场补偿精度限制的问题，且测量时间更短，受磁场波动影响小，提升了光频移测量精度，有利于提升光频移补偿精度。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)常规的SERF原子磁场测量装置光频移测量方法采用磁场补偿的方法，测量精度受到磁场补偿精度限制，本发明涉及的装置与方法采用拟合瞬态响应的方法，使得测量精度不再受限于磁场补偿精度，提高了光频移测量精度。(2)使用改变检测光位置的方法对于碱金属气室内不同位置的光频移进行测试，实现了光频移梯度测量。(3)测量时间短，避免了磁场波动对于光频移测量的影响。
附图说明
图1是实施本发明一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置的结构示意图。
图2是实施本发明一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法的流程示意图。图2中包括步骤1，打开声光调制器，利用三轴磁场线圈对于SERF原子磁强计(磁场测量装置)进行三轴磁补偿，设置直流偏置磁场By初始值3nT；步骤2，保持抽运光开启状态至少5秒后，控制声光调制器关闭的同时控制三轴磁场线圈在Y方向上施加一个3nT的直流偏置磁场By，记录触发信号发出后1秒内数据采集系统内采集到的瞬态相应信息S(t)；步骤3，通过上位机控制声光调制器开启，撤销直流偏置磁场，拟合采集到的S(t)，计算碱金属原子感受到的总磁场幅值Btot；步骤4，判断是否By＝11nT，如果否，则将By增加2nT后返回步骤2，如果是，则进入步骤4；步骤4，通过公式拟合计算光频移虚拟磁场与光频移数值，并判断是否达到光频移梯度计算要求，如果是，则进入步骤6，如果否，则进入步骤5；步骤5，同步调节第一、第二位移台改变检测光位置后返回步骤1；步骤6，通过不同位置的光频移计算光频移梯度。
附图标记如下：1-检测激光器；2-第一反射镜；3-第一位移台；4-第二反射镜；5-第一起偏器；6-光弹调制器；7-第一四分之一波片；8-检偏器；9-光电探测器；10-第二位移台；11-锁相放大器；12-数据采集系统；13-抽运激光器；14-第三反射镜；15-二分之一波片；16-偏振分光棱镜；17-声光调制器；18-扩束系统；19-第四反射镜；20-第二起偏器；21-第二四分之一波片；22-光纤耦合器；23-波长计；24-碱金属气室；25-无磁电加热系统；26-声光调制器控制器；27-波形发生器；28-上位机；29-三轴磁场线圈；30-磁屏蔽系统；xyz-笛卡尔坐标系三轴(x轴，y轴，z轴)。
具体实施方式
下面结合附图(图1-图2)和实施例对本发明进行说明。
图1是实施本发明一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置的结构示意图。图2是实施本发明一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法的流程示意图。参考图1至图2所示，一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，在SERF原子磁场测量装置的抽运系统中设置声光调制器17，所述声光调制器17位于偏振分光棱镜16至扩束系统17之间的抽运光光路上，所述声光调制器17通过声光调制器控制器26连接到上位机28，所述上位机28通过波形发生器27连接偏置磁场产生系统中的三轴磁场线圈29，在SERF原子磁场测量装置的检测系统中设置附带第一位移台3的第二反射镜4，所述第二反射镜4位于第一反射镜2至第一起偏器5之间的检测光光路上，所述第一起偏器5依次通过光弹调制器6、第一四分之一波片7、碱金属气室24和检偏器8连接带有第二位移台10的光电探测器9，所述光电探测器9通过锁相放大器11连接数据采集系统12，所述第一反射镜2连接检测激光器1。
所述声光调制器17的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，所述三轴磁场线圈29由波形发生器27提供驱动电流，所述上位机28输出控制信号，在控制声光调制器17关闭的同时由三轴磁场线圈29施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应，所述数据采集系统12对瞬态响应信息进行采集，所述第一位移台3用于改变检测激光器1发出的检测激光的位置，所述第二位移台10用于调节光电探测器9位置以适配检测激光位置的改变。
所述扩束系统依次通过第四反射镜19、第二起偏器20和第二四分之一波片21连接碱金属气室24，抽运光沿z轴穿越所述碱金属气室24，检测光沿x轴穿越所述碱金属气室24，所述偏振分光棱镜16的输入侧依次通过二分之一波片15和第三反射镜14连接抽运激光器13，所述偏振分光棱镜16的透射侧通过光纤耦合器22连接波长计23，所述波长计23用于监测和调整所述抽运光频率。所述声光调制器17在开启状态下，抽运光通过声光调制器17后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统18射向第四反射镜19，抽运光为开启状态；当所述声光调制器17在关闭状态下，抽运光通过声光调制器17后不发生偏转，在经过扩束系统18后无法入射到反射镜19，抽运光为关断状态。所述的碱金属气室24外设置有无磁电加热系统25，三轴磁场线圈29，与磁屏蔽系统30。
一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，采用上述SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置对于SERF原子磁场测量装置的光频移梯度进行测量。
包括以下步骤：步骤1，打开抽运激光器与检测激光器，调节抽运激光器使输出的抽运光调节至碱金属原子D1线附近，控制声光调制器控制器打开声光调制器，此时抽运光为开启状态，之后利用三轴磁场线圈对于SERF原子磁场测量装置进行三轴磁补偿，使碱金属原子气室中的碱金属原子感受到的磁场为零；步骤2，保持抽运光开启状态至少5秒后，上位机发出触发信号，控制声光调制器关闭的同时控制三轴磁场线圈在Y方向上施加一个3nT的直流偏置磁场By，记录触发信号发出后1秒内数据采集系统内采集到的瞬态响应信息S(t)，之后通过上位机控制声光调制器开启，并且控制三轴磁场线圈撤销直流偏置磁场，记录施加的偏置磁场幅值为By1；步骤3，通过拟合步骤2中采集到的S(t)计算碱金属原子感受到的总磁场幅值Btot，拟合公式如下：
其中k为常数，Rrel为碱金属原子弛豫率，q(0)为碱金属原子在极化率为0时的减慢因子，γe是电子旋磁比，记录计算得到的总磁场为Btot1；
步骤4，将步骤2中的直流偏置磁场By设置为5nT，7nT，9nT，11nT，重复步骤2与步骤3，分别记录得到的By2，By3，By4，By5与Btot2，Btot3，Btot4，Btot5，通过公式拟合得到光频移虚拟磁场BLS，拟合公式如下：
步骤5，通过公式计算光频移数值ΔE，公式如下：
其中为约化普朗克常数，J为碱金属原子电子角动量量子数；
步骤6，同步调节第一位移台与第二位移台，改变检测光与光电探测器位置，重复步骤2至步骤5，记录各位置光频移，计算得到光频移梯度。
所述步骤1中检测激光器发射出的检测激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
本发明涉及一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置与方法，通过上位机对于声光调制器与磁场线圈的同时控制，测量SERF原子磁场测量装置在关闭抽运光情况下在不同偏置磁场中的瞬态响应，而后通过对于瞬态响应的拟合实现对于光频移测量，并通过改变检测光位置，实现对于光频移梯度的测量。
参考图1至图2所示，一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置包括抽运系统，偏置磁场产生系统与检测系统。在所述的抽运系统中设置声光调制器17，声光调制器17的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，抽运光经过所述声光调制器17后经由扩束系统18扩束，再经由第四反射镜19、第二起偏器20与第二四分之一波片21后转变为圆偏振光射入碱金属气室24使得碱金属原子极化。所述声光调制器17由声光调制器控制器26连接到上位机28。偏置磁场产生系统包括三轴磁场线圈29，用于提供偏置磁场。所述三轴磁场线圈29由波形发生器27提供驱动电流并连接至上位机28。所述上位机28输出控制信号，同时控制声光调制器17关闭与三轴磁场线圈29施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应。检测系统中设置附带第一位移台3的第二反射镜4，可改变检测激光器1发出的检测激光的位置。所述检测激光经过第二反射镜4后，经过第一起偏器5、光弹调制器6与第一四分之一波片7后射入碱金属气室24以测量瞬态响应信息，而后经过检偏器8后射入光电探测器9。
所述光电探测器9附有第二位移台10用于调节光电探测器9位置，所述光电探测器9连接至锁相放大器11。所述锁相放大器11连接至信号采集系统12。
所述碱金属气室24外设置有无磁电加热系统25，三轴磁场线圈29，与磁屏蔽系统30。
所述抽运系统中设有偏振分光棱镜16，抽运光经过二分之一波片15与偏振分光棱镜16后被分为两束，其中一束光经由光纤耦合器22进入波长计23用于监测和调整所述抽运光频率，另一束光传输至所述声光调制器17。
所述声光调制器17在开启状态下，抽运光通过声光调制器17后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统18射向第四反射镜19，抽运光为开启状态；当所述声光调制器17在关闭状态下，抽运光通过声光调制器17后不发生偏转，在经过扩束系统18后无法入射到反射镜19，抽运光为关断状态。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。
Claims (8)
1.一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，在SERF原子磁场测量装置的抽运系统中设置声光调制器，所述声光调制器位于偏振分光棱镜至扩束系统之间的抽运光光路上，所述声光调制器通过声光调制器控制器连接到上位机，所述上位机通过波形发生器连接偏置磁场产生系统中的三轴磁场线圈，在SERF原子磁场测量装置的检测系统中设置附带第一位移台的第二反射镜，所述第二反射镜位于第一反射镜至第一起偏器之间的检测光光路上，所述第一起偏器依次通过光弹调制器、第一四分之一波片、碱金属气室和检偏器连接带有第二位移台的光电探测器，所述光电探测器通过锁相放大器连接数据采集系统，所述第一反射镜连接检测激光器。
2.根据权利要求1所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述声光调制器的开启与关闭控制抽运光的开启与关断，所述三轴磁场线圈由波形发生器提供驱动电流，所述上位机输出控制信号，在控制声光调制器关闭的同时由三轴磁场线圈施加偏置磁场，使SERF原子磁场测量装置产生瞬态响应，所述数据采集系统对瞬态响应信息进行采集，所述第一位移台用于改变检测激光器发出的检测激光的位置，所述第二位移台用于调节光电探测器位置以适配检测激光位置的改变。
3.根据权利要求2所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述扩束系统依次通过第四反射镜、第二起偏器和第二四分之一波片连接碱金属气室，抽运光沿z轴穿越所述碱金属气室，检测光沿x轴穿越所述碱金属气室，所述偏振分光棱镜的输入侧依次通过二分之一波片和第三反射镜连接抽运激光器，所述偏振分光棱镜的透射侧通过光纤耦合器连接波长计，所述波长计用于监测和调整所述抽运光频率。
4.根据权利要求3所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述声光调制器在开启状态下，抽运光通过声光调制器后会产生一个偏转角度，而后经过扩束系统射向第四反射镜，抽运光为开启状态；当所述声光调制器在关闭状态下，抽运光通过声光调制器后不发生偏转，在经过扩束系统后无法入射到反射镜，抽运光为关断状态。
5.根据权利要求1所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置，其特征在于，所述的碱金属气室外设置有无磁电加热系统，三轴磁场线圈，与磁屏蔽系统。
6.一种SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，采用上述SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量装置对于SERF原子磁场测量装置的光频移梯度进行测量。
7.根据权利要求6所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，打开抽运激光器与检测激光器，调节抽运激光器使输出的抽运光调节至碱金属原子D1线附近，控制声光调制器控制器打开声光调制器，此时抽运光为开启状态，之后利用三轴磁场线圈对于SERF原子磁场测量装置进行三轴磁补偿，使碱金属原子气室中的碱金属原子感受到的磁场为零；
步骤2，保持抽运光开启状态至少5秒后，上位机发出触发信号，控制声光调制器关闭的同时控制三轴磁场线圈在Y方向上施加一个3nT的直流偏置磁场By，记录触发信号发出后1秒内数据采集系统内采集到的瞬态响应信息S(t)，之后通过上位机控制声光调制器开启，并且控制三轴磁场线圈撤销直流偏置磁场，记录施加的偏置磁场幅值为By1；
步骤3，通过拟合步骤2中采集到的S(t)计算碱金属原子感受到的总磁场幅值Btot，拟合公式如下：
其中k为常数，Rrel为碱金属原子弛豫率，q(0)为碱金属原子在极化率为0时的减慢因子，γe是电子旋磁比，记录计算得到的总磁场为Btot1；
步骤4，将步骤2中的直流偏置磁场By设置为5nT，7nT，9nT，11nT，重复步骤2与步骤3，分别记录得到的By2，By3，By4，By5与Btot2，Btot3，Btot4，Btot5，通过公式拟合得到光频移虚拟磁场BLS，拟合公式如下：
步骤5，通过公式计算光频移数值ΔE，公式如下：
其中为约化普朗克常数，J为碱金属原子电子角动量量子数；
步骤6，同步调节第一位移台与第二位移台，改变检测光与光电探测器位置，重复步骤2至步骤5，记录各位置光频移，计算得到光频移梯度。
8.根据权利要求7所述的SERF原子磁场测量装置的光频移梯度测量方法，其特征在于，所述步骤1中检测激光器发射出的检测激光的频率在碱金属气室中所含碱金属的D1线附近失谐100GHz以上。
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